【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學院上海高等研究院研究員楊輝團隊在質(zhì)子交換膜電解水制氫研究中取得重要進展。相關研究成果以Overall design of anode with gradient ordered structure with low iridium loading for proton exchange membrane water electrolysis為題，發(fā)表在Nano Letters上。
 

　　質(zhì)子交換膜水電解(PEMWE)是實現(xiàn)零碳排放制氫的關鍵技術之一。目前，由于陽極側(cè)貴金屬Ir的高用量大幅增加了PEMWE成本，制約其商業(yè)化進程。制備高活性低Ir含量催化劑是降低Ir用量的常用方法。然而，在PEMWE實際使用過程中，膜電極(MEA)需要在高電流密度(≥1-2 A cm^-2)下運行以保證高效產(chǎn)氫，因此需要同時解決催化劑利用率低、高歐姆電阻以及傳質(zhì)受限等問題。構筑有序結(jié)構MEA有望同時降低電催化動力學、傳質(zhì)和歐姆損失，是氫能燃料電池研究追求的目標，但頗具挑戰(zhàn)性。
 

　　鑒于此，科研團隊從MEA結(jié)構一體化設計的角度出發(fā)，創(chuàng)新地提出利用納米壓印技術結(jié)合靜置法，制備一種陽極兼具梯度化錐形陣列以及三維膜/催化層界面的新型有序結(jié)構MEA。錐形陣列與梯度催化層結(jié)構增加了活性位點的暴露；梯度和三維膜/催化層界面增強了界面結(jié)合強度；垂直排列的空隙為氣、液傳輸提供了快速通道。該結(jié)構MEA可同時降低電催化動力學、歐姆與傳質(zhì)極化造成的性能損失。與Ir載量為2 mg cm^-2的傳統(tǒng)MEA相比，該有序結(jié)構將電化學活性面積提高至4.2倍，同時分別將傳質(zhì)和歐姆極化過電位降低了13.9 %和8.7 %。這種新型有序MEA在Ir載量低至0.2 mg cm^-2時，仍表現(xiàn)出1.801 V @ 2 A cm^-2的優(yōu)異性能，與Ir載量是其十倍的傳統(tǒng)結(jié)構MEA性能相當，并表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。本研究為開發(fā)高性能、低貴金屬催化劑載量及長壽命的PEMWE提供了新策略。
 

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金等的支持。
 

有序結(jié)構膜電極示意圖、譜學表征和水電解性能評價